JP4041063B2 - ナノワイヤフィラメント - Google Patents
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Description
本発明は、概して、化学的、生物学的及び環境的分析に関する。より詳細には、本発明はナノワイヤフィラメントの製造法及び該ナノワイヤフィラメントを利用するセンサに関する。
化学、生物、マイクロメカニカル、マイクロエレクトロニクス及びマイクロ流体の各分野において、モニタリング（監視）及びセンシング（検出）への関心が高まっている。健康、安全、電気機器の性能及び環境に影響を及ぼす因子についての意識及び懸念によって、リアルタイムに、より小規模に、さらにより小型のパッケージにおいて化学的、生物学的及び環境的状態を検出し、特定し、監視することのできる技術が求められている。
これらの要求に応じて、精巧な検査手順及びハードウエアを応用し、簡略化し、改善し、さらにそのコストを削減することに焦点を絞って成功を収めている商業市場が現れてきている。現在、家庭用一酸化炭素監視装置、飲料水水質監視装置及び煙感知器が、非常に普及している。これらの装置の多くは、新たな建造物のための要件になってきている。これらの環境センサ製品に加えて、個人用の健康監視装置及び健康検査装置に焦点を当てた市場も急激に拡大している。例えば、その市場には、ブドウ糖をモニタするために血液をサンプリングし、分析することができる多数のシステムが存在する。コンピューティング革命と同じように、集中管理によるセンシングから、分散及び埋込式センシングへの展開が進行中である。こうした流行を考えると、広範な化学的、環境的及び生物学的センサ技術を利用するインテリジェントで、ポータブルで、ワイヤレスで、ウエブを利用できる自己診断製品が近い将来に需要があるという予測は確かである。さらに、いっそう小型の、さらにはナノスケールのセンサ及びセンシング装置の需要もあるであろう。
上記の各応用形態において、及び他の応用形態の場合において、より検出限界が低く、選択性、感度がより高く、携帯可能で、リアルタイムに応答することへの要求は高く、今後も益々高くなると考えられる。
現時点で利用可能な標準的なセンサよりもはるかに感度が高く、且つ極めて小型のセンサを構成するのに利用できるナノワイヤフィラメントの製造法、並びに該ナノワイヤフィラメントを利用するセンサを提供する。
本発明の一実施形態によれば、本発明は、センサを構成するのに利用できるナノワイヤフィラメントの製造法を提供する。当該方法は、１）極めて近接した導体を形成するステップ、２）前記極めて近接した導体間を接合する連結酸化物を形成するステップ、及び３）前記連結酸化物中を通して、前記極めて近接した導体間にナノワイヤフィラメントを溶融させるステップ、とからなる。
本発明により、非常に感度が高く、且つ極めて小型のセンサを提供することができる。
図１は、導体３０Ａ、３０Ｂ、３２Ａ、３２Ｂ、３４Ａ、３４Ｂ、３６Ａ及び３６Ｂから構成される極めて近接した導体対３８、４０、４２及び４４の実施形態の幾つかの概略平面図を示す。以下にさらに詳細に説明するように、ナノワイヤフィラメントを、極めて近接した導体間に形成することができる。本明細書の概略図は寸法通りに描かれているわけではなく、所与の極めて近接した導体対３８、４０、４２あるいは４４において、導体は約６０オングストロームだけ離隔して配置されていることを理解されたい。ただし、「極めて近接した」は又、より短い間隔あるいはより長い間隔を指す場合もある。
導体３０Ａ〜３６Ｂは基材４６上に形成されており、該基材は、シリコン、又は例えばガリウムヒ素のような、いくつかの他の適切なマイクロエレクトロニクス、マイクロメカニカルあるいは集積回路材料とすることができる。基材４６の導電率によっては、基材４６と導体３０Ａ〜３６Ｂとの間に、酸化物層のような絶縁層を形成して、基材４６を介する短絡を防ぐことが望ましい場合もある。導体３０Ａ〜３６Ｂは、半導体製造において用いられるもののような、感光性マスクを基材４６上において用いて、リソグラフィ技法によって形成することができる。導体３０Ａ〜３６Ｂは又、米国特許第６、４３２、７４０号に開示されるようなナノインプリンティング技術を用いて形成することもできる。
導体３０Ａ〜３６Ｂは、種々の形状のものを形成することができる。一実施形態において、導体３０Ａ及び３０Ｂは、極めて近接した導体対３８において、先のとがった近接表面４８を有している。別の実施形態においては、導体３４Ａ及び３４Ｂは、極めて近接した導体対４２において、長方形の近接表面５０を有する。さらに別の実施形態においては、導体３６Ａ及び３６Ｂは、極めて近接した導体対４４において、弧状の近接表面５２を有する。近接表面に関しては、他の形状及び構造を用いることもできる。導体の構造及び形状を変更することに加えて、導体は、極めて近接した導体対３８、４２及び４４のように、１８０°離れて配置される必要はない。導体３２Ａ及び３２Ｂは、１８０°とは異なる角度で分離された極めて近接した導体対４０の実施形態の一例である。簡単のため、図１の先のとがった導体３０Ａ及び３０Ｂのような、先のとがった導体が以下の説明において用いられることになるが、用途に応じて、他のタイプ、形状及び導体間角度も同様に用いることができることを理解されたい。
図２Ａは、酸化物５４がその上に形成されている極めて近接した導体３０Ａ、３０Ｂの一実施形態を示す概略平面図である。酸化物５４は、導体３０Ａ、３０Ｂ材料から酸化物層を成長させることにより、又は酸化物５４を付着させることにより形成することができる。酸化物５４は、極めて近接した導体３０Ａ、３０Ｂ間の領域を橋絡し、連結酸化物５６が形成されるように形成しなければならない。図２Ｂは、酸化物５８が付着によってその上に形成されている極めて近接した導体３０Ａ、３０Ｂの一実施形態の概略平面図を示す。重ねて、酸化物５８は、極めて近接した導体３０Ａ、３０Ｂ間の領域を橋絡し、連結酸化物５６を形成している。酸化物５４、５８は、ａ）マスキングを用いるか否か、ｂ）極めて近接した導体３０Ａ、３０Ｂの形状、及びｃ）酸化物５４、５８を形成するために用いられる製造工程の特性に応じて、数多くの形状をとり得る。簡単のため、各実施形態に関して、１種類の酸化物を説明することになる。しかしながら、酸化物５４、５８が、連結酸化物５６を形成し、極めて近接した導体３０Ａ及び３０Ｂ間の領域を橋絡しさえすれば、ある特定の設計要件に基づいて、酸化物５４、５８の形状及び／又は酸化物５４、５８を形成する方法を変更できることを理解されたい。例えば、酸化物５４を形成することにより、極めて近接した導体３０Ａ及び３０Ｂを完全に覆うことができ、それにより極めて近接した導体３０Ａ、３０Ｂを、後の製造段階において形成され得る他の構成要素から絶縁することができる。
図３は、連結酸化物５６の中を通して、極めて近接した導体３０Ａ及び３０Ｂ間に形成されているナノワイヤフィラメント６０を有する回路５９の一実施形態を示す概略図である。極めて近接した導体３０Ａと３０Ｂとの間に、変化する電圧及び／又は固定された電圧を印加することにより、極めて近接した導体３０Ａと３０Ｂとの間にトンネル電流を生成することができる。該トンネル電流が十分に大きい場合には、電熱反応に起因して、連結酸化物５６の一部が溶融することになり、極めて近接した導体３０Ａ及び３０Ｂからの金属材料を、連結酸化物５６中を通して移動させ、ナノワイヤフィラメント６０を形成することができる。このエレクトロマイグレーションによって形成されるナノワイヤフィラメント６０は金属製であり、極めて近接した導体３０Ａ及び３０Ｂと同じ金属から構成される。
図３のナノワイヤフィラメント６０は、極めて近接した導体３０Ａ及び３０Ｂの金属、極めて近接した導体３０Ａ及び３０Ｂの構造及び角度関係、溶融処理中に極めて近接した導体３０Ａ及び３０Ｂ間に印加される電圧のレベル、溶融処理中に極めて近接した導体３０Ａ及び３０Ｂに電圧が印加されている時間、及び溶融処理に使用される電圧源に設けられる任意の電流リミット、にある程度依存する抵抗を有する。
図４Ａの実施形態に示すように、酸化物５４は、ナノワイヤフィラメント６０周囲の領域６２から除去することができる。あるいは又、図４Ｂの実施形態に示すように、酸化物５４のさらに多くの部分、あるいは酸化物５４の全ての部分を、ナノワイヤフィラメント６０及び極めて近接した導体３０Ａ、３０Ｂから除去することができる。図５Ａ及び図５Ｂは、２つの実施可能な回路５９の実施形態を示す、図４Ａ及び図４Ｂの断面図（断面線５−５に沿って見たもの）である。図５Ａに具現される回路５９においては、ナノワイヤフィラメント６０は、基材４６と実質的に接触して形成されており、結果として、ナノワイヤフィラメント６０は、基材４６によって支持されており、上面及び側面は露出している。図５Ｂに具現される回路５９においては、ナノワイヤフィラメント６０は、極めて近接した導体３０Ａ、３０Ｂ間を橋絡しており、上面、下面及び側面が露出しており、極めて近接した導体３０Ａ及び３０Ｂとは接触していない。この場合、ナノワイヤフィラメント６０は、酸化物５４の中を通して溶融されたため、基材４６とは接触していない。酸化物５４が、ナノワイヤフィラメント６０の領域から除去されるとき、橋絡しているナノワイヤフィラメント６０を形成することができる。簡単のため、ナノワイヤフィラメント６０は、これ以降、橋絡しているものとして示すことになるが、本明細書において説明する実施形態及びそれと同等のものにおいて、ナノワイヤフィラメント６０を支持することもできることを理解されたい。
図６は、センサ６８を形成するためにコントローラ６６に接続されている回路６４の一実施形態を示す概略図である。コントローラ６６には、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル電子回路、アナログ電子回路あるいはその組み合わせが含まれる。センサ回路６４は、基材４６、及び基材４６に接続している一対の極めて近接した導体３０Ａ、３０Ｂを有する。ナノワイヤフィラメント６０は、導体３０Ａと３０Ｂとを接続しており、上記工程の実施形態あるいは同等の実施形態に従って形成される。センサ回路６４内のナノワイヤフィラメント６０は、「機能化」されている。「機能化」が意味するものには、ある特定の分析物７０との化学的あるいは電気的相互作用を促進あるいは抑制するレセプタ種をナノワイヤ表面に加えることにより、ナノワイヤ表面を、化学的あるいは物理的に変性する種々の処理が含まれる。「分析物」とは、検査、測定、監視、検出あるいは選別の対象となる任意の形態の任意の物質であり得る。機能化の結果として、分析物７０と反応あるいは相互作用することができる、物理的あるいは化学的に結合しているコーティング７２が生じ、そこでは、反応時に電荷移動が生じ、それを電気的に検出することができる。あるいは又、コーティング７２は、ナノワイヤフィラメント６０の表面に付加されている誘電体層とすることができ、それによって、変化した自由電荷が分析物７２を引き付けたり、あるいは付着するようになる。例えば、分析物が誘電体層表面に捕獲されるとき、不釣り合いな電荷によって、ナノワイヤフィラメント６０内に逆の電荷が誘導され、それをコントローラ６６によって検出することができる。他の方法においても、コントローラ６６は、抵抗、キャパシタンス、場合によっては所定の周波数における複素インピーダンスを測定することにより、ナノワイヤフィラメント６０の電気的状態を監視することができる。コントローラ６６にセンサ回路６４が１つだけ接続されているものを示しているが、センシング表面積を増大させるために、コントローラ６６にセンサ回路６４のアレイを接続させることもできる。
図７は、処理済のナノワイヤフィラメントを構成するために用いることができる工程の一実施形態を示している。形成工程では、極めて近接した導体間に酸化物を形成する（７４）。溶融工程では、極めて近接した導体間に存在する酸化物の中を通して、ナノワイヤフィラメントを溶融させる（７６）。除去工程では、ナノワイヤフィラメントの少なくとも一部を露出させるために酸化物を除去する（７８）。処理工程では、少なくとも１つの分析物に対してナノワイヤの応答性を高めるために、ナノワイヤフィラメントを処理する（８０）。
図８は、温度測定装置８２の一実施形態を示す概略図である。コントローラ８４が、基準接点８６及び検出接点８８に接続されている。コントローラ８４には、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル電子回路、アナログ電子回路あるいはその組み合わせが含まれる。検出接点８８は、２つの異なる金属間のバイメタル接点である。異なる金属からなるこの接点は、温度とともに変化する小さな電圧を生成し、熱電対と呼ばれる場合もある。熱電対において種々の金属あるいは合金の対を用いることにより、広範な温度、例えば２７０〜２５００℃の温度を測定することができる。熱電対のために用いることができる金属及び合金は当業者に既知である。簡単のため、金属が参照されることになるが、同様に合金を用いることもでき、用語「金属」あるいは「複数の金属」には合金も含まれることになる。
基準接点８６も又、熱電対接点であり、検出導体がコントローラと接触しているシステム内において、さらに別の異なる熱電対を不要とするために設けられる。第１検出導体９０は、コントローラ８４を検出接点８８の第１端９２に接続する。第１検出導体９０は、第１金属、即ち該導体が接続されている検出接点８８の第１端９２と同じ金属から作製されている。第２検出導体９４は、検出接点８８の第２端９６を基準接点８６の第１端９８に接続している。第２検出導体は、第２金属、即ち該導体が接続されている検出接点８８の第２端９６及び基準接点８６の第１端９８と同じ金属から作製されている。第３検出導体１００は、基準接点８６の第２端１０２をコントローラ８４に接続している。第３検出導体１００は、第１の金属、即ち該導体が接続されている基準接点８６の第２端１０２と同じ金属から作製されている。一般的に、温度測定装置８２は、検出接点８８及び基準接点８６の温度差に比例する第１検出導体９０及び第３検出導体１００間の電圧Ｖ１を読み取る。基準接点８６を既知の温度に保持することにより、既知の温度と電圧Ｖ１を用いて、検出接点８８の温度を計算することができる。そのような熱電対計算方法は当業者には既知である。
図９は、既知の温度に保持することのできる熱電対基準接点１０４の一実施形態を概略的に示している。熱電対基準接点１０４の本実施形態においては、熱源１０６がバイメタルナノワイヤフィラメント１０８に接続されている。バイメタルナノワイヤフィラメント１０８は熱電対であり、較正済あるいは既知の熱量をバイメタルナノワイヤフィラメント１０８に伝達するように、前記熱源１０６がバイメタルナノワイヤフィラメント１０８に接続されている。基準接点１０４を既知の温度に保持することにより、それを検出熱電対接点８８で温度を測定するために用いることができる。
図１０及び図１１は、熱電対基準接点１０９の一実施形態、及び熱電対基準接点１０９を作製する具体的な方法を概略的に示す断面図である。抵抗層１１０を基材１１２上に付着させることができる。例えば、基材１１２は、二酸化シリコンの層を含むシリコンとすることができ、抵抗層１１０は、タンタル−アルミニウムとすることができる。接点１１４Ａ及び１１４Ｂを抵抗層１１０上に形成することができ、このとき、抵抗層１１０の領域１１６は接触点１１４Ａ、１１４Ｂによって覆われないようにする。抵抗層１１０の厚みは、接点１１４Ａと１１４Ｂとの間の領域１１６において所望の抵抗が得られるように調整することができる。接点１１４Ａ及び１１４Ｂ間に印加される電流によって、領域１１６内の抵抗を、再現性のある既知の温度まで加熱する。こうして、半導体プロセスを用いて、信頼性が高く、小規模の熱源を作り出すことができる。
酸化物層１１８を、接点１１４及び露出した抵抗領域１１６上に形成し、それらの素子を絶縁させることができる。第１の導体１２０は、第１金属から形成することができ、第２の導体１２２は、第１金属とは異なる第２金属から形成することができる。導体１２０、１２２はそれぞれ、図１〜図７の極めて近接した導体に関して説明されたものと同様の極めて近接した導体を形成するために、極めて近接した導体として形成される。図１〜図７の極めて近接した導体は同じ金属にすることも異なる金属にすることもできたが、図１０及び図１１の極めて近接した導体１２０及び１２２は、異なる金属としなければならない。連結酸化物１２４を、異なる金属からなる極めて近接した導体１２０及び１２２間に形成させる。異なる金属からなる極めて近接した導体１２０及び１２２間に、変化する電圧及び／又は固定された電圧を印加することにより、異なる金属からなる極めて近接した導体１２０及び１２２間にトンネル電流を生成することができる。トンネル電流が十分に大きい場合には、電熱反応に起因して連結酸化物１２４の一部が溶融することになり、極めて近接した導体１２０及び１２２からの異なる金属材料が、連結酸化物１２４中を通って移動し、図１１に示すようなバイメタルナノワイヤフィラメント１２６を形成することができる。このエレクトロマイグレーションによって形成されるバイメタルナノワイヤフィラメント１２６は熱電対であり、極めて近接した導体１２０及び１２２内に存在する金属から構成されている。
図１１の熱電対基準接点１０９は、図１２の実施形態に示すように、温度測定装置８２に用いることができる。検出接点１２８が設けられる。検出接点１２８は、先に記載した図５Ｂの回路５９と同様に形成することができる。本実施形態では、導体３０Ａ及び３０Ｂを異なる金属から形成し、その結果生じるナノワイヤフィラメント６０がバイメタルナノワイヤフィラメント、即ち熱電対、となるようにしなければならない。
図１１の熱電対基準接点１０９は、図１２の検出接点１２８に接続されている。基準接点１０９及び検出接点１２８は、いずれもコントローラ８４に接続されている。第１検出導体９０は、コントローラ８４を検出接点１２８の第１端９２に接続する。第１検出導体９０は、第１金属、即ち該導体が接続されている検出接点１２８の第１端９２の極めて近接した導体３０Ｂと同じ金属から作製されている。第２検出導体９４は、検出接点１２８の第２端９６を基準接点１０９の第１端９８に接続している。第２検出導体９４は、第２金属、即ち該導体が接続されている検出接点１２８の第２端９６の極めて近接した導体３０Ａと同じ金属及び基準接点１０９の第１端９８の極めて近接した導体１２２と同じ金属から作製されている。第３検出導体１００は、基準接点１０９の第２端１０２をコントローラ８４に接続する。第３検出導体１００は、第１金属、即ち該導体が接続されている基準接点１０９の第２端１０２の極めて近接した導体１２０と同じ金属から作製されている。一般的に、温度測定装置８２は、検出接点１２８及び基準接点１０９の温度差に比例する第１検出導体９０及び第３検出導体１００間の電圧Ｖ１を読み取る。基準接点１０９は、領域１１６内の抵抗１１０によってバイメタルナノワイヤフィラメント１２６を加熱することにより、既知の温度に保持することができる。検出接点１２８内のナノワイヤフィラメント６０の温度は、バイメタルナノワイヤフィラメント１２６の既知の温度、並びに第１検出導体９０及び第３検出導体１００間の電圧Ｖ１を用いて計算することができる。
図１２に具現される温度測定装置８２は、その製造時に半導体プロセスを用いることにより、比較的低コストで、且つ小型のパッケージに構成することができる。基準接点１０９の熱源は、起動の際に高速のオン応答及び安定化時間とを有し、ある一定の既知の温度に容易に保持される。検出接点１２８のナノワイヤフィラメント６０は、ナノワイヤフィラメント６０を包囲する酸化物層がないものとして示しているが、用途によっては、図３の実施形態における連結酸化物５６と同様に、ナノワイヤフィラメント６０を包囲する連結酸化物を残すことが望ましい場合もある。検出接点１２８が化学的、機械的及び／又は環境的に過酷な測定領域内で用いられる場合でも、連結酸化物は、ナノワイヤフィラメント６０と測定領域とが依然として熱的に接続できるようにしながら、ナノワイヤフィラメント６０に対して隔離及び保護効果をもたらすことができる。同様に、装置８２が導電性あるいは腐蝕性の測定領域内で用いられるとき、ナノワイヤフィラメント６０を誘電体によってコーティングし絶縁することができるか、又は化学薬品をコーティングし化学的に隔離させることができる。
基準接点１０９に関して、極めて近接した導体１２０及び１２２間に電圧を印加することによって連結酸化物１２４を溶融し、バイメタルナノワイヤフィラメント１２６を形成するとき、絶縁酸化物１１８を介して抵抗層１１０まで溶融が生じることのないように注意を払わねばならない。本問題に注意を払う必要性を回避する１つの方法は、図１３に具現されるような基準接点１３０を製造することである。
図１３は、熱電対基準接点１３０の一実施形態、及び熱電対基準接点１３０を作製する具体的な方法を示す概略断面図である。極めて近接した導体１３２Ａ及び１３２Ｂを、絶縁性基材１３４上に形成する。極めて近接した導体１３２Ａ及び１３２Ｂは、異なる金属から形成する。連結酸化物１３６を、前記極めて近接した導体１３２Ａ及び１３２Ｂ間に形成し、その後、前記極めて近接した導体１３２Ａ及び１３２Ｂ間に電圧を印加して、連結酸化物１３６中を通してバイメタルナノワイヤフィラメント１３８を溶融させる。熱電対基準接点１３０上に形成されることになる他の導電性素子との短絡を防ぐために、前記極めて近接した導体１３２Ａ及び１３２Ｂ上に絶縁層１４０を形成する。絶縁層１４０及び連結酸化物１３６に共通の材料を用いる場合には、連結酸化物１３６の形成と同時に、絶縁層１４０を形成することが望ましい場合もある。その後、抵抗層１４２を、バイメタルナノワイヤフィラメント１３８に近接して絶縁層１４０上に形成することができる。抵抗層１４２上に接点１４４Ａ及び１４４Ｂを形成し、バイメタルナノワイヤフィラメント１３８に接続される抵抗領域１４６を画定する。こうして、熱電対基準接点１３０の本実施形態は、再現性のある温度まで確実に加熱することができる。また本実施形態は、バイメタルナノワイヤフィラメント１３８が、ヒータ抵抗の形成前に溶融し、それによって製造工程において抵抗層１４２が溶融する危険性がないという利点も有する。
ナノワイヤ検出回路が有する非常に敏感な特性によって、抵抗の微小変化を正確に測定することが必要とされる場合がある。図１４及び図１５は、ナノワイヤセンサ回路１４８の実施形態を概略的に示している。４つのナノワイヤフィラメント６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ及び６０Ｄを、上記方法の実施形態及びそれと同等のものを用いて、極めて近接した導体３０Ａと３０Ｂとの間、１５０Ａと１５０Ｂとの間、１５２Ａと１５２Ｂとの間、及び１５４Ａと１５４Ｂとの間にそれぞれ形成することができる。極めて近接した導体対３８、１５６、１５８及び１６０を連結し、ホイートストンブリッジ１６２を形成することができる。ナノワイヤフィラメント６０Ｂ、６０Ｃ及び６０Ｄの抵抗は、再現性のある製造工程を介して知ることができる。ナノワイヤフィラメント６０Ａは、検査あるいは測定環境に対して露出あるいは接続することができる。ナノワイヤフィラメント６０Ａの抵抗は、本明細書全体にわたって論じている種々の環境条件によって変化がもたらされ、それ故、その環境状態を測定するために用いることができる。他の実施形態においては、ナノワイヤフィラメント６０Ａの抵抗に熱が影響を及ぼす場合があり、それによりナノワイヤフィラメント６０Ａはサーミスタとして機能するようになる。回路１４８は、ナノワイヤフィラメント６０Ａの抵抗の微小変化を検出することができ、温度を測定するための装置及び方法を与えることができる。他の状況においては、ナノワイヤフィラメント６０Ａ（極めて近接した導体３０Ａ及び３０Ｂ間に橋絡されていても、されていなくてもよい）上にかけられる歪み及び応力によって、ナノワイヤフィラメント６０Ａの抵抗が変化する場合もある。回路１４８はこれらの抵抗の微小変化を検出することができ、それによってナノスケールの応力及び歪みゲージを実現することができる。図１５に具現されるナノワイヤ検出回路１４８においては、ナノワイヤフィラメント６０Ａが、図６の実施形態に記載しているようなコーティング７２と同様に、コーティング７２によって機能化されている。コーティング７２は、分析物７０と選択的に結合あるいは反応することができ、それによって種々の環境状態に応じて、ナノワイヤフィラメント６０Ａの抵抗を変化させることができる。該回路１４８は、これらの抵抗の微小変化を検出することができ、それによってマイクロ流体（気体あるいは液体）、微量化学及び微小電気に関する監視、測定及び検出が可能となる。
図１４及び図１５の実施形態においては、コントローラ１６４によってホイートストンブリッジ１６２を監視することができる。コントローラ１６４には、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル電子回路、アナログ電子回路あるいはその組み合わせが含まれる。ホイートストンブリッジ１６２は、４つのノード１６６、１６８、１７０及び１７２を有し、該ノードにおいて４つの極めて近接した導体対３８、１５６、１５８、１６０が連結されている。検出ナノワイヤフィラメント６０Ａは、第１ノード１６６と第２ノード１７０との間に配置されている。検出ナノワイヤフィラメント６０は、未知の抵抗を有する第１の抵抗として機能することができる。第１の既知のナノワイヤフィラメント６０Ｃは、第２ノード１７０と第３ノード１６８との間に配置されている。第１の既知のナノワイヤフィラメント６０Ｃは、既知の抵抗を有する第２の抵抗として機能することができる。第１ノード１６６から、第２ノード１７０を介して、第３ノード１６８に至る回路パスは、ホイートストンブリッジ１６２の第１の区間と見なすことができる。第２の既知のナノワイヤフィラメント６０Ｂは、第１ノード１６６と第４ノード１７２との間に配置されている。第２の既知のナノワイヤフィラメント６０Ｂは、既知の抵抗を有する第３の抵抗として機能することができる。第３の既知のナノワイヤフィラメント６０Ｄは、第４ノード１７２と第３ノード１６８との間に配置されている。第３の既知のナノワイヤフィラメント６０Ｄは、既知の抵抗を有する第４の抵抗として機能することができる。第１ノード１６６から、第４ノード１７２を介して、第３ノード１６８に至る回路パスは、ホイートストンブリッジ１６２の第２の区間と見なすことができる。第１ノード１６６において、ホイートストンブリッジ１６２の一端に電圧１７４を印加することができ、一方、第３ノード１６８において、ホイートストンブリッジ１６２の他端にグランド電位１７６を印加することができる。コントローラ１６４は、第２ノード１７０及び第４ノード１７２においてホイートストンブリッジ１６２に接続することができる。一例において、ナノワイヤフィラメント６０Ｂ、６０Ｃ及び６０Ｄの既知の抵抗が等しいと仮定すると、コントローラ１６４が第２ノード１７０において測定する電圧が、コントローラ１６４が第４ノード１７２において測定する電圧に等しいとき、センサナノワイヤフィラメント６０Ａの抵抗は、既知の抵抗のうちの１つの抵抗に等しい。第２ノード１７０の電圧が、第４ノード１７２の電圧よりも低い場合には、センサナノワイヤフィラメント６０Ａの抵抗は、既知の抵抗のうちの１つの抵抗よりも大きくなり、区間内の電流と、センサナノワイヤフィラメント６０Ａの両端の電圧降下を見て、オームの法則から計算することができる。一方、第２ノード１７０の電圧が、第４ノード１７２の電圧よりも高い場合には、センサナノワイヤフィラメント６０Ａの抵抗は、既知の抵抗のうちの１つの抵抗よりも小さくなり、区間内の電流と、センサナノワイヤフィラメント６０Ａの両端の電圧降下を見て、オームの法則から計算することができる。そのような計算は、当業者には既知である。
特定の実施形態に応じて、本明細書に網羅される概念によるナノワイヤフィラメントを使用し製造するために、及び該ナノワイヤフィラメントを利用するセンサ回路及び集積回路を使用し製造するために、添付の特許請求の範囲内において、種々の他の構造的及び機能的に等価な変更形態及び代替形態を実施できることは明らかである。
３０Ａ 導体
３０Ｂ 導体
３２Ａ 導体
３２Ｂ 導体
３４Ａ 導体
３４Ｂ 導体
３６Ａ 導体
３６Ｂ 導体
３８ 極めて近接した導体（対）
４０ 極めて近接した導体（対）
４２ 極めて近接した導体（対）
４４ 極めて近接した導体（対）
４６ 基材
４８ 先のとがった極めて近接した表面
５０ 長方形の極めて近接した表面
５２ 弧状の極めて近接した表面
５４ 酸化物
５６ 連結酸化物
５８ 酸化物
５９ 回路
６０ （バイメタル）ナノワイヤフィラメント
６０Ａ 検出ナノワイヤフィラメント（未知の抵抗）
６０Ｂ 第２ナノワイヤフィラメント
６０Ｃ 第１ナノワイヤフィラメント
６０Ｄ 第３ナノワイヤフィラメント
６８ センサ
７０ 分析物
７２ コーティング
８２ 温度測定装置
８４ コントローラ
８６ （熱電対）基準接点
１０４ （熱電対）基準接点
１０６ 熱源
１０９ （熱電対）基準接点
１１０ 薄膜抵抗
１２０ 導体
１２２ 導体
１２４ 連結酸化物
１２６ バイメタルナノワイヤフィラメント
１２８ 検出接点
１３０ 熱電対基準接点
１３２Ａ 導体
１３２Ｂ 導体
１３６ 連結酸化物
１３８ バイメタルナノワイヤフィラメント
１４２ 薄膜抵抗
１４８ 回路
１５０Ａ 導体
１５０Ｂ 導体
１５２Ａ 導体
１５２Ｂ 導体
１５４Ａ 導体
１５４Ｂ 導体
１６２ ホイートストンブリッジ
１６４ コントローラ
１６６ 第１ノード
１６８ 第３ノード
１７０ 第２ノード
１７２ 第４ノード
３０Ｂ 導体
３２Ａ 導体
３２Ｂ 導体
３４Ａ 導体
３４Ｂ 導体
３６Ａ 導体
３６Ｂ 導体
３８ 極めて近接した導体（対）
４０ 極めて近接した導体（対）
４２ 極めて近接した導体（対）
４４ 極めて近接した導体（対）
４６ 基材
４８ 先のとがった極めて近接した表面
５０ 長方形の極めて近接した表面
５２ 弧状の極めて近接した表面
５４ 酸化物
５６ 連結酸化物
５８ 酸化物
５９ 回路
６０ （バイメタル）ナノワイヤフィラメント
６０Ａ 検出ナノワイヤフィラメント（未知の抵抗）
６０Ｂ 第２ナノワイヤフィラメント
６０Ｃ 第１ナノワイヤフィラメント
６０Ｄ 第３ナノワイヤフィラメント
６８ センサ
７０ 分析物
７２ コーティング
８２ 温度測定装置
８４ コントローラ
８６ （熱電対）基準接点
１０４ （熱電対）基準接点
１０６ 熱源
１０９ （熱電対）基準接点
１１０ 薄膜抵抗
１２０ 導体
１２２ 導体
１２４ 連結酸化物
１２６ バイメタルナノワイヤフィラメント
１２８ 検出接点
１３０ 熱電対基準接点
１３２Ａ 導体
１３２Ｂ 導体
１３６ 連結酸化物
１３８ バイメタルナノワイヤフィラメント
１４２ 薄膜抵抗
１４８ 回路
１５０Ａ 導体
１５０Ｂ 導体
１５２Ａ 導体
１５２Ｂ 導体
１５４Ａ 導体
１５４Ｂ 導体
１６２ ホイートストンブリッジ
１６４ コントローラ
１６６ 第１ノード
１６８ 第３ノード
１７０ 第２ノード
１７２ 第４ノード
Claims (35)
- 極めて近接した導体を形成するステップと、
前記極めて近接した導体間に連結酸化物を形成するステップと、
前記極めて近接した導体間にトンネル電流を生成するだけの十分な電圧を前記極めて近接した導体間に印加するステップと、
前記トンネル電流の結果、前記極めて近接した導体から材料を電気移動させてナノワイヤフィラメントを形成するステップと、
からなるナノワイヤフィラメントを製造する方法。 - 前記連結酸化物が、付着によって形成される請求項１に記載の方法。
- 前記連結酸化物が、前記極めて近接した導体のうちの少なくとも１つから酸化物を成長させることによって形成される請求項１に記載の方法。
- 前記ナノワイヤフィラメントを露出させるために、前記ナノワイヤフィラメントから前記連結酸化物の少なくともいくらかを除去するステップをさらに包含する請求項１に記載の方法。
- 分析物とよく反応することができるか又は相互作用することができるコーティングを前記ナノワイヤフィラメントに物理的あるいは化学的に結合させるか、又は誘電体層を前記ナノワイヤフィラメントに付加することによって、前記露出したナノワイヤフィラメントを機能化するステップをさらに包含する請求項４に記載の方法。
- バイメタルナノワイヤフィラメントの製造方法であって、
第１金属からなる第１導体を形成し且つ第２金属からなる第２導体を形成することによって、極めて近接した導体を形成するステップと、
前記極めて近接した導体間に連結酸化物を形成するステップと、
前記極めて近接した導体間にトンネル電流を生成するだけの十分な電圧を前記極めて近接した導体間に印加するステップと、
前記トンネル電流の結果、前記第１導体から前記第１金属を、前記第２導体から前記第２金属を電気移動させてバイメタルナノワイヤフィラメントを形成するステップと、
からなる方法。 - 請求項６に従って製造されたバイメタルナノワイヤフィラメントを含む熱電対を形成するステップと、
前記熱電対に熱源を接続するステップと、
からなる熱電対基準接点を製造する方法。 - 前記極めて近接した導体にわたって電圧を印加する間の、前記電圧が印加された時間及び印加される電圧の大きさの組み合わせによって、前記ナノワイヤフィラメントの抵抗が決定される請求項１に記載の方法。
- 請求項１に従って製造されるナノワイヤフィラメントをセンシング素子として有するセンサ。
- 第１及び第２の極めて近接した導体と、
前記極めて近接した導体間において請求項１に従って製造されたナノワイヤフィラメントと、
からなる回路。 - 前記ナノワイヤフィラメントが、前記極めて近接した導体間を橋絡している請求項１０に記載の回路。
- 前記極めて近接した導体を支持する基材をさらに包含し、前記ナノワイヤフィラメントが前記基材によって支持されている請求項１０に記載の回路。
- 前記ナノワイヤフィラメントに接続されている連結酸化物をさらに包含する請求項１０に記載の回路。
- 前記ナノワイヤフィラメントに接続されているコーティングをさらに包含する請求項１０に記載の回路。
- 前記コーティングが、誘電体コーティング、反応性コーティング、相互作用性コーティング、及び保護コーティングからなる群から選択されている請求項１４に記載の回路。
- 前記ナノワイヤフィラメントが抵抗を有し、
前記ナノワイヤフィラメントの前記抵抗が、温度によって変化する請求項１０に記載の回路。 - 前記極めて近接した導体が、互いに対して１８０°以外の角度をなす請求項１０に記載の回路。
- 前記極めて近接した導体の各々が、先のとがった極めて近接した表面、長方形の極めて近接した表面、弧状の極めて近接した表面からなる群から選択される極めて近接した表面を包含する請求項１０に記載の回路。
- 第１金属からなる第１の近接した導体と、
第２金属からなる第２の近接した導体と、
前記第１及び第２の近接した導体間において請求項６に従って製造されたバイメタルナノワイヤフィラメントと、
からなる回路。 - 請求項１９に記載の回路と、
前記バイメタルナノワイヤフィラメントに接続されている熱源と、
からなる熱電対基準接点。 - 前記バイメタルナノワイヤフィラメントに接続されている連結酸化物をさらに包含する請求項２０に記載の熱電対基準接点。
- 前記バイメタルナノワイヤフィラメントが、前記熱源の表面に接続されている請求項２０に記載の熱電対基準接点。
- 前記熱源が、前記バイメタルナノワイヤフィラメントの表面に接続されている請求項２０に記載の熱電対基準接点。
- 前記熱源が、ヒータ抵抗からなる請求項２０に記載の熱電対基準接点。
- 前記ヒータ抵抗が、薄膜抵抗を含む請求項２４に記載の熱電対基準接点。
- コントローラと、
前記コントローラに接続されている熱電対検出接点と、
請求項２０に記載の熱電対基準接点からなる基準接点と、
を包含し、前記基準接点が前記コントローラ及び前記検出接点に接続されている温度測定装置。 - 未知の抵抗である第１抵抗と、既知の抵抗である第２、第３及び第４抵抗を有するホイートストンブリッジからなる回路であって、前記第１抵抗が請求項１０に記載の回路からなる回路。
- 前記第２、前記第３及び前記第４抵抗が、それぞれ請求項１３に記載の回路からなる請求項２７に記載の回路。
- 前記第１抵抗ナノワイヤフィラメント上に機能化されたコーティングをさらに包含し、前記機能化されたコーティングが、分析物とよく反応することができるか又は相互作用することができる物理的あるいは化学的に結合されたコーティングである請求項２７に記載の回路。
- 回路アレイからなるセンサであって、前記回路の各々が請求項１０に記載の回路からなるセンサ。
- 極めて近接した導体間において請求項１に従って製造されたナノワイヤフィラメントの電気的状態を監視するステップを包含する分析物の測定、監視、あるいは検出方法。
- 前記ナノワイヤフィラメントの前記電気的状態を監視することが、前記ナノワイヤフィラメントの抵抗の測定、前記ナノワイヤフィラメントのキャパシタンスの測定、あるいは前記ナノワイヤフィラメントの複素インピーダンスの測定である請求項３１に記載の方法。
- 前記ナノワイヤフィラメントの前記電気的状態を監視する前記ステップが、前記ナノワイヤフィラメントを未知の抵抗としてホイートストンブリッジに組み込むステップと、コントローラを用いて前記ナノワイヤフィラメントの抵抗を測定するステップとからなる請求項３１に記載の方法。
- 第１ノードと第２ノードとを接続している検出ナノワイヤフィラメントと、
前記第２ノードと第３ノードとを接続している既知の抵抗を有する第１ナノワイヤフィラメントと、
前記第１ノードと第４ノードとを接続している既知の抵抗を有する第２ナノワイヤフィラメントと、
前記第４ノードと前記第３ノードとを接続している既知の抵抗を有する第３ナノワイヤフィラメントと、
前記第２ノード及び前記第４ノードに接続されているコントローラと、
前記第３ノードに対して前記第１ノードに電気的にバイアスをかける手段と、
からなり、前記検出ナノワイヤフィラメント、第１ナノワイヤフィラメント、第２ナノワイヤフィラメント及び第３ナノワイヤフィラメントが請求項１に従って製造される、センサ。 - 前記極めて近接した導体を形成するステップが、リソグラフィの使用、及びインプリントリソグラフィの使用からなる群から選択される手段を含む請求項１に記載の方法。
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